C460 鋼的化學(xué)成分與熱處理工藝優(yōu)化

楊?lèi)?ài)寧

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0 前言

C460 鋼是一種耐低溫沖擊的低合金鋼，主要用于液化石油氣及液化天然氣等貯存運(yùn)輸容器、低溫環(huán)境下運(yùn)行的橋梁卷筒機(jī)設(shè)備配套設(shè)備以及海洋石油工程結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域。目前，世界石油和天然氣勘探開(kāi)發(fā)投資呈現(xiàn)開(kāi)始增長(zhǎng)趨勢(shì)，鉆井區(qū)域不再局限于常規(guī)陸地和海洋，而是加大了高寒地區(qū)的油氣開(kāi)發(fā)力度[1]，這些地區(qū)要求鉆井在-40℃能正常工作，而普通材料均不能滿(mǎn)足要求，因此在-40℃低溫條件下使用的高強(qiáng)度、高韌性、高塑形的鑄鋼材料面臨新的挑戰(zhàn)。同時(shí)，海洋工程裝備產(chǎn)業(yè)是開(kāi)發(fā)利用海洋資源的物質(zhì)和技術(shù)基礎(chǔ)，也是我國(guó)當(dāng)前加快培育和發(fā)展的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)[2],具有高技術(shù)、高投入、高產(chǎn)出、高附加值、高風(fēng)險(xiǎn)的特點(diǎn)，是先進(jìn)制造、信息、新材料等高新技術(shù)的綜合體，產(chǎn)業(yè)輻射能力強(qiáng)，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)帶動(dòng)作用將非常顯著。因此，該類(lèi)低溫用高強(qiáng)度鑄鋼的化學(xué)成分及熱處理工藝研究，對(duì)海洋裝備材料具有重要意義。

1 化學(xué)成分及熱處理工藝設(shè)計(jì)

C460 鋼使用狀態(tài)為調(diào)質(zhì)，要求在碳當(dāng)量Ceq＜0.55、焊接敏感性Pcm≤0.28 的條件下，具有較高的強(qiáng)度和良好的低溫沖擊性能。其力學(xué)性能要求見(jiàn)表1，化學(xué)成分要求見(jiàn)表2。

表1 力學(xué)性能要求表

表2 化學(xué)成分要求w/%

1.1 化學(xué)成分設(shè)計(jì)

在C460 鋼成分范圍內(nèi)，為保證材料的綜合力學(xué)性能要求，化學(xué)成分設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)分析合金元素的作用，然后對(duì)各化學(xué)元素進(jìn)行綜合調(diào)整。其中，C 元素能提高鋼的硬度和強(qiáng)度，但降低其塑性和韌性；Cr 元素可增加鋼的淬透性和二次硬化作用；Mo 元素對(duì)低合金鋼有很大的強(qiáng)化作用，不但可提高強(qiáng)度和硬度，降低鋼的臨界冷卻速度，而且可以提高淬透性；Ni 元素提高強(qiáng)度的同時(shí)，可改善鋼的塑性和韌性，特別是低溫韌性[3]。結(jié)合性能特性及各元素的作用，設(shè)計(jì)了表3 所示三種化學(xué)成分。

表3 實(shí)際化學(xué)成分控制范圍 w/%

1.2 熱處理工藝設(shè)計(jì)

為達(dá)到力學(xué)性能要求，通過(guò)對(duì)不同化學(xué)成分的材料熱處理組織轉(zhuǎn)變的理論分析，分別測(cè)算出該材料的AC3、AC1相變點(diǎn)溫度，為達(dá)到組織均勻化及相變轉(zhuǎn)變完全，鑄件淬火的保溫溫度確定為AC3＋（50～100）℃、AC1－（50～150）℃：然后依據(jù)以下三條原則制定熱處理工藝。

（1）AC3以上溫度對(duì)鑄件進(jìn)行退火，均勻成分，為淬火做好組織上的準(zhǔn)備。

（2）對(duì)鑄件進(jìn)行兩相區(qū)的淬火，使未溶進(jìn)奧氏體中的鐵素體分割?yuàn)W氏體，鐵素體彌散分布，阻止奧氏體晶粒長(zhǎng)大，從而細(xì)化晶粒，提高鑄件的低溫韌性。

（3）對(duì)鑄件進(jìn)行淬火，組織均勻化后通過(guò)淬火細(xì)化晶粒，提高鑄件的低溫韌性。

（4）采用高溫回火，得到回火索氏體，以達(dá)到材料要求的綜合力學(xué)性能。

根據(jù)以上原則設(shè)計(jì)出3 種熱處理工藝制度：退火（A）+亞溫淬火（Q1）+回火（T），淬火（Q）+高溫回火（T）及正火（N）+回火（T），分別對(duì)不同化學(xué)成分試樣進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè)，熱處理工藝方案見(jiàn)表4。

表4 熱處理工藝方案

2 試驗(yàn)過(guò)程

2.1 冶煉過(guò)程

根據(jù)C460 材料的成分要求，結(jié)合材料在低溫沖擊方面的性能要求，對(duì)低溫沖擊性能有重要影響作用的殘余元素如S、P 含量控制及輔材的加入如表5 所示。

表5 C460 材料冶煉過(guò)程

C460 材料采取電弧爐EAF 熔煉—鋼包精煉爐LF 熔煉—真空脫氣VD 的冶煉工藝，具體流程如圖1 所示。

圖1 C460 冶煉工藝流程

2.2 熱處理過(guò)程及力學(xué)性能檢測(cè)

按照表4 確定的熱處理工藝試驗(yàn)方案，每組三個(gè)試樣，根據(jù)ASTMA370 取樣標(biāo)準(zhǔn)的要求，按照?qǐng)D2 要求對(duì)試塊加工進(jìn)行取樣，分別檢測(cè)表6 中力學(xué)性能的要求。

圖2 取樣標(biāo)準(zhǔn)

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)既定的熱處理工藝制度處理后力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果

3.1 金相檢測(cè)結(jié)果

圖4 QT 熱處理工藝制度下金相組織

不同的熱處理工藝制度對(duì)應(yīng)的金相組織如圖3～5 所示，經(jīng)AQ1T 熱處理制度和QT 熱處理制度處理后的材料組織為均為貝氏體，經(jīng)NT 熱處理制度處理后的組織為貝氏體+鐵素體。

圖3 QLT 熱處理工藝制度下金相組織

3.2 熱處理工藝對(duì)性能的影響

（1）通過(guò)對(duì)表6 中不同的熱處理工藝類(lèi)型所得的檢測(cè)數(shù)據(jù)比對(duì)可以看出，同種材料采用三種不同熱處理工藝時(shí)，經(jīng)過(guò)NT 處理的材料強(qiáng)度和沖擊性能均最低，采用AQ1T 處理后材料的強(qiáng)度和沖擊綜合指標(biāo)最高。導(dǎo)致這種結(jié)果的主要原因是材料直接進(jìn)行高溫退火后其成分和組織均得到均勻化，在這種條件下，又進(jìn)行亞溫淬火，晶粒細(xì)化，晶界增多，從而材料的強(qiáng)度和韌性提高。而經(jīng)過(guò)NT 處理的材料，由于冷卻速度慢，晶粒尺寸相對(duì)較大，存在混晶，且組織內(nèi)部片層間距較大，從而導(dǎo)致了強(qiáng)度和沖擊韌性較低。

圖5 NT 熱處理工藝制度下金相組織

（2）對(duì)于A(yíng)Q1T 和QT 工藝，隨回火溫度的提高，材料的強(qiáng)度降低，沖擊功明顯提高；而NT 工藝在560～590℃回火，材料的強(qiáng)度隨回火溫度的提高而降低，但是沖擊功變化不明顯。

（3）通過(guò)不同的熱處理工藝制度處理后，AQ1T 工藝得到的材料裂紋尖端張開(kāi)位移（CTOD）均合格，QT 工藝得到的CTOD 結(jié)果不穩(wěn)定，而NT工藝處理后材料的CTOD 均不合格，這主要是由于經(jīng)過(guò)AQ1T 工藝處理后的材料晶粒細(xì)化、析出物能夠彌散分布，從而使材料具備較高強(qiáng)度的同時(shí)具備了高韌性。

4 試驗(yàn)結(jié)論

（1）C 含量控制在標(biāo)準(zhǔn)上限可確保材料的強(qiáng)度，Mn 能提高材質(zhì)的強(qiáng)度但是顯著惡化低溫沖擊性能，應(yīng)嚴(yán)格控制，Ni 控制在標(biāo)準(zhǔn)的上限，可顯著提升材質(zhì)的低溫沖擊性能。

（2）同一種化學(xué)成分，退火+亞溫淬火+高溫回火能同時(shí)提高材料強(qiáng)度和低溫沖擊的綜合性能。

（3）不同的熱處理工藝制度下，采用AQ1T 熱處理工藝制度得到的材料綜合力學(xué)性能最優(yōu)，不但滿(mǎn)足了材料的碳當(dāng)量Ceq＜0.55，焊接敏感性Pcm≤0.28，裂紋尖端張開(kāi)位移（CTOD）檢測(cè)合格，滿(mǎn)足了材料在低溫環(huán)境下使用的綜合性能達(dá)到要求。